JP2003315228A - ピエゾスタック評価装置と評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温から高温まで任意の温度においてピエゾ
スタックを評価できるピエゾスタック評価装置及び評価
方法を提供すること。 【解決手段】 ピエゾスタック２０を収納するスタック
収納室２と，ピエゾスタック２０に所定の荷重と電圧と
を印加する荷重印加手段４０及び電圧印加手段５１と，
ピエゾスタック２０の変位量を測る変位検出手段３０
と，荷重を測る荷重検出手段２２と，変位検出手段３０
及び荷重検出手段２２とを収納し，かつ両者を耐熱温度
以下に保持する計測手段収納室３とを備え，スタック収
納室２と計測手段収納室３とを熱的に分離して構成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，ピエゾスタックの温度特性等を
評価するピエゾスタック評価装置と評価方法に関する。

【０００２】

【従来技術】ディーゼル，ガソリンインジェクタの駆動
素子，各種位置決め装置の変位素子として，圧電材料よ
りなる圧電層と電極材料よりなる電極層とを交互に積層
して構成したピエゾスタックが利用されている。上記ピ
エゾスタックの温度特性等を評価する際に，特公平５−
６９３７２に示すごときピエゾスタック評価装置を用い
ることがある。

【０００３】上記ピエゾスタック評価装置は，ピエゾス
タックを収納するスタック収納室と，ピエゾスタックに
印加する軸方向圧縮荷重を検出して検出量に応じた信号
を送出する荷重検出手段と，ピエゾスタックの変位量を
検出して検出量に応じた信号を送出する変位検出手段と
を組み込んだ恒温槽を有する。また，上記ピエゾスタッ
ク評価装置は，上記恒温槽とピエゾスタックに軸方向圧
縮荷重を付与する油圧ユニットとからなる加圧ユニット
部を有する。また，上記ピエゾスタック評価装置は，荷
重検出手段と変位検出手段からの信号を表示する表示手
段，両信号からヤング率等を計算する評価手段，荷重検
出手段からの信号を受けて油圧ユニットの電気式油圧調
整を制御する制御手段を有する。

【０００４】上記恒温槽によって，スタック収納室のピ
エゾスタックを所定の温度に制御し，計測手段収納室の
荷重検出手段や変位検出手段もピエゾスタックと同様の
温度に制御する。上記評価装置を用いることで，ピエゾ
スタックの所定の温度における特性を評価することがで
きる。

【０００５】

【解決しようとする課題】ところで，上述したようなイ
ンジェクタの駆動素子等として用いるピエゾスタック
は，従来以上に高温環境での利用が想定されるため，例
えば２００℃程度での温度特性等を評価したいという要
望がある。しかしながら，一般的な荷重検出手段や変位
検出手段として用いる荷重センサやギャップセンサは耐
熱温度が低くて，７０℃程度の環境でのみ荷重や変位の
測定が可能であった。従って，従来構成の評価装置で
は，高温でのピエゾスタックの評価が困難であった。

【０００６】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，低温から高温まで任意の温度においてピ
エゾスタックを評価できるピエゾスタック評価装置及び
評価方法を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題の解決手段】第１の発明は，ピエゾスタックを所
定の温度となす加熱冷却手段と，上記加熱冷却手段を用
いて所定の温度まで加熱または冷却した上記ピエゾスタ
ックを収納するスタック収納室と，上記ピエゾスタック
に所定の荷重と電圧とを印加する荷重印加手段及び電圧
印加手段と，上記ピエゾスタックの変位量を測る変位検
出手段と，上記変位量を得るに要した荷重を測る荷重検
出手段と，上記変位検出手段及び上記荷重検出手段とを
収納し，かつ両者を耐熱温度以下に保持する計測手段収
納室とを備え，上記スタック収納室と上記計測手段収納
室とを熱的に分離して構成し，所定の温度において上記
ピエゾスタックの変位量と該変位量を得るに要した荷重
から上記ピエゾスタックを評価することを特徴とするピ
エゾスタック評価装置にある（請求項１）。

【０００８】本発明にかかるピエゾスタック評価装置は
スタック収納室と計測手段収納室とが熱的に分離され
る。従って，上記変位検出手段及び上記荷重検出手段の
耐熱温度にかかわらず任意の温度においてピエゾスタッ
クを評価することができる。

【０００９】以上，第１の発明によれば，低温から高温
まで任意の温度においてピエゾスタックを評価できるピ
エゾスタック評価装置を得ることができる。

【００１０】また，第２の発明は，請求項１〜８のいず
れか一項にかかるピエゾスタック評価装置を用い，所定
の温度において上記ピエゾスタックの変位量と該変位量
を得るに要した荷重から上記ピエゾスタックを評価する
に先立って，上記ピエゾスタック評価装置にヤング率が
既知の比較材料をピエゾスタックと置き換えて設置し，
該比較材料に対しピエゾスタックを評価する際と同様に
荷重を印加して，該荷重における比較材料の変位量を求
め，上記比較材料の変位量と上記比較材料のヤング率と
から，上記ピエゾスタック評価装置の補正値を求めるこ
とを特徴とするピエゾスタック評価方法にある（請求項
９）。

【００１１】ピエゾスタックの評価を行うに先立ち，ヤ
ング率が既知の比較材料を用いて，比較材料に特定の荷
重を印加し，該荷重によって生じる比較材料の変位量を
測定する。荷重を変位量で割ることで得られたヤング率
と比較材料の既知のヤング率との違いから，ピエゾスタ
ック評価の際に不可避に生じる装置の変位に伴う補正値
を得ることができる。

【００１２】従って，より正確にピエゾスタックを評価
することができると共に，請求項１〜８の第１の発明に
かかるピエゾスタック評価装置を用いた評価方法である
ため，第２の発明によれば，低温から高温まで任意の温
度においてピエゾスタックを評価できるピエゾスタック
評価方法を得ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】第１の発明にかかる構成の装置を
用いることで，所定の温度において，ピエゾスタックに
圧縮荷重を加えた場合の変位量を検出することができ，
該変位量からピエゾスタックをアクチュエーターとして
用いた場合の性能を評価することができる。

【００１４】すなわち，ピエゾスタックをアクチュエー
タとして用いる場合，アクチュエーターの性能はピエゾ
スタックのヤング率及び電圧印加時の伸縮量に依存して
おり，アクチュエーターを適正に機能させるには，アク
チュエータを生産する際に電圧印加時の伸縮量やヤング
率を評価することが望ましい。第１の発明にかかるピエ
ゾスタック評価装置を用いることで，ピエゾスタックに
荷重を加え，該荷重を加えた際の変位量を測定し，ここ
からヤング率を得ることができる。そして，ピエゾスタ
ックを任意の温度に保持することができるため，ヤング
率の温度依存性を測定することができる。

【００１５】また，上記ピエゾスタックの加熱または冷
却は，スタック収納室を所定の温度に加熱または冷却す
ることで行うことができる。そして，上記スタック収納
室はピエゾスタックの評価の際に−４０℃〜２００℃と
することが好ましい。通常のピエゾスタックの耐寒限
界，耐熱限界は上記範囲にあるため，スタック収納室を
上述にかかる温度範囲に維持することで，実用上に必要
なピエゾスタックの温度特性を評価することができる。
また，スタック収納室が上述の温度範囲に保持された状
態であっても，計測手段収納室は荷重検出手段や変位検
出手段の耐熱温度以下に保持することができるため，各
検出手段の損傷や測定精度の低下などが生じ難い。

【００１６】また，スタック収納室と計測手段収納室と
の熱的な分離は，例えば両室をそれぞれ断熱ケースで構
成し，両室をそれぞれ独立の熱源で加熱する（または冷
却装置を用いて冷却する）ことで実現できる。

【００１７】または，スタック収納室と計測手段収納室
とを同じ熱源で加熱または冷却し，上記熱源よりも低い
温度に冷却可能な冷熱源を用いて一方を他方より低い温
度とすることができる。反対に上記熱源よりも高い温度
に加熱可能な温熱源を用いて一方を他方より高い温度と
することもできる。これにより，スタック収納室と計測
手段収納室を独立した温度に保持することができる。ま
た，スタック収納室や計測手段収納室を所定の温度とす
る際は，冷媒，熱媒として恒温槽等で所定の温度に保持
した恒温エアーを利用することができる。

【００１８】また，スタック収納室と計測手段収納室と
の間は断熱材料で断熱しておくことが好ましいが，熱の
出入りがあっても問題ない場合もある。また，スタック
収納室と計測手段収納室とはそれぞれ恒温槽として構成
することが好ましい。室内全体を所定の温度に保つこと
でより正確な温度特性を評価できる。

【００１９】上記荷重印加手段としては，例えば一般的
なプレス装置を用いることができる。上記電圧印加手段
は，所望の電圧を生成可能な可変電源等を用いることが
できる。上記荷重検出手段は，歪ゲージ式や圧電式のロ
ードセルを使用することができる。また，上記変位検出
手段は，荷重を加えることでピエゾスタックに発生する
伸縮量を測定できる静電容量式や渦電流式のギャップセ
ンサを用いることができる。なお，第１の発明にかかる
評価装置は，特にピエゾスタックの材質や構成を選ぶこ
となく評価することができる。

【００２０】また，第１の発明にかかるピエゾスタック
評価装置において，上記荷重検出手段で検出した荷重の
値に応じて荷重印加手段からピエゾスタックに加える荷
重の大きさを制御することが好ましい。これにより，設
定荷重と荷重検出手段からのピエゾスタックに加わる荷
重の大きさを示す信号とを比較して，所定の荷重が確実
に印加できるようにフィードバック制御を行うことがで
きる。このフィードバック制御によって，精密に荷重を
制御することが可能となり，荷重を一定値，矩形波状，
三角波状，三角関数状等の任意の波形で加えることがで
きる。

【００２１】また，第２の発明において使用する比較材
料はヤング率が既知の物質であれば用いることができる
が，ヤング率が略０に近い剛体などを用いることがより
好ましい。

【００２２】次に，上記計測手段収納室に第１の熱媒を
導入することで，上記変位検出手段及び上記荷重検出手
段の耐熱温度以下に保持することが好ましい（請求項
２）。上記第１の熱媒は計測手段収納室を所定の温度に
保持するために導入するが，これを用いることで，計測
手段収納室の全体を均一な温度に保持することができ
る。また，上記第１の熱媒としては所定の温度に加熱ま
たは冷却した空気や窒素等のガスを用いることができ
る。

【００２３】上記スタック収納室を断熱ケースから構成
し，上記スタック収納室は上記計測手段収納室内に設置
し，上記断熱ケースにより上記スタック収納室を，上記
第１の熱媒より熱的に分離することが好ましい（請求項
３）。スタックの温度は高い温度から低い温度に保持す
る必要があるため，スタック収納室を小さくするほう
が，スタックの温度を保持するに必要なエネルギーを少
なくすることができ，効率を良くすることができる。

【００２４】また，変位検出手段と荷重検出手段との二
つの手段を計測手段収納室は収納する必要があるため，
最低２つの分離した空間を設けるよりは，スタック収納
室を計測手段収納室内に設置することで，装置の構造を
単純にすることができる。

【００２５】次に，上記ピエゾスタックを所定の温度と
なす加熱冷却手段は第２の熱媒よりなり，上記第２の熱
媒は，上記スタック収納室に対して外部に設置された外
部恒温槽から上記スタック収納室に対して導入すること
が好ましい（請求項４）。上記第２の熱媒はスタック収
納室を所定の温度に保持するために導入するが，これを
用いることで，スタックを独立した熱源で加熱，冷却す
ることができる。従って，スタックだけを加熱したり冷
却したりするだけでよいため温度調整が容易で，エネル
ギーのロスも少なくすることができる。なお上記第２の
熱媒としては外部恒温槽にて所定の温度に加熱または冷
却した空気や窒素ガス等を用いることができる。

【００２６】次に，上記スタック収納室と上記計測手段
収納室とは共に同一の恒温槽の内部に配置することが好
ましい（請求項５）。これにより，装置の全体をコンパ
クト化することができる。

【００２７】次に，上記ピエゾスタックと上記変位検出
手段とは同軸上に位置することが好ましい（請求項
６）。これにより，ピエゾスタックの傾きなどによって
検出値が不正確になることを防止して，精度高い検出を
行うことができる。

【００２８】次に，上記変位検出手段は外部からの信号
により作動可能であることが好ましい（請求項７）。こ
れにより，変位検出手段を測定可能範囲内に容易に移動
させることができる。環境変化によって変位検出手段と
スタックとの位置関係やその他の状態に変動が生じた際
に，その状態を検知して，外部から信号を送出するよう
構成することで，補正が可能となりより正確な測定を行
うことができる。

【００２９】すなわち，加熱するとスタックが熱膨張に
よって伸縮して，スタックに対する変位検出手段の相対
位置などが変動する。変位検出手段とスタックとの位置
関係を常に所定の状態に保持することで，より正確で温
度に依存しない測定が可能となる。

【００３０】次に，上記ピエゾスタックを上記スタック
収納室に収納する際に，上記ピエゾスタックの両端に吸
熱板を設けることが好ましい（請求項８）。これによ
り，ピエゾスタックに接触する部材を介してピエゾスタ
ックが熱引けを起こすことを防止できる。仮に吸熱板が
なければ，ピエゾスタックの両端の温度が下がってしま
う。なお，上記吸熱板としては金属などの各種熱の良導
体を用いることができる。

【００３１】

【実施例】以下に，図面を用いて本発明の実施例につい
て説明する。 （実施例１）本発明にかかるピエゾスタック評価装置に
ついて，図１〜図６を用いて説明する。図１に示すごと
く，本例のピエゾスタック評価装置１は，ピエゾスタッ
ク２０を所定の温度に加熱または冷却する加熱冷却手段
と，所定の温度に加熱または冷却した上記ピエゾスタッ
ク２０を収納するスタック収納室２と，上記ピエゾスタ
ック２０に所定の荷重と電圧とを印加する荷重印加手段
４０及び電圧印加手段５１と，上記ピエゾスタック２０
の変位量を測る変位検出手段３０と，上記変位量を得る
に要した荷重を測る荷重検出手段２２と，上記変位検出
手段３０及び上記荷重検出手段２２とを収納し，かつ両
者を耐熱温度以下に保持する計測手段収納室３とを備え
る。

【００３２】そして，上記スタック収納室２と上記計測
手段収納室３とを熱的に分離して構成し，所定の温度に
おいて上記ピエゾスタック２０の変位量と該変位量を得
るに要した荷重から上記ピエゾスタック２０を評価す
る。

【００３３】以下，本例のピエゾスタック評価装置１に
ついて詳細に説明する。図１はピエゾスタック評価装置
１の全体を示す概略図で，加圧ユニット部４と計測制御
部５とよりなる。図２に加圧ユニット部４を，図３に計
測制御部５を記載した。図２，図３において，信号線２
２１，３０１，２０３，２０４等が連絡する箇所に同じ
符合を記載した。図２においてＡと記載した部分におい
て，図２の信号線２２１と図３の信号線２２１とはつな
がっている。その他の符合についても同様である。

【００３４】図２に示すごとく，上記加圧ユニット部４
は断熱ケース４００よりなる恒温槽４０１と熱風発生器
４７と電気式油圧調整４９０を備えた油圧ユニット４９
とよりなる。上記恒温槽４０１の中に，断熱ケース３５
よりなる計測手段収納室３を設ける。上記計測手段収納
室３の内部に荷重印加手段４０を設ける。また，荷重印
加手段４０に荷重検出手段２２及び変位検出手段３０を
組み込む。また，断熱ケース２５よりなり，ピエゾスタ
ック２０を収納するスタック収納室２は荷重印加手段４
０のフレーム２９に組み込まれる。なお，上記断熱ケー
ス２５，３５の内壁は断熱層を備え，該断熱層はシリコ
ーン材料よりなる。

【００３５】また，断熱ケース４００の外部に熱風発生
器４７が設けてある。この熱風発生器４７において生成
した温度が略一定の恒温エア３６１を計測手段収納室３
に導入するよう構成する。この恒温エア３６１が第１の
熱媒となる。上記恒温エア３６１を導入するため，熱風
発生器４７と断熱ケース４００，３５とを通過して，計
測手段収納室３に断熱材４７５で被覆した配管４７１を
接続する。また，断熱ケース３５及び４００には，計測
手段収納室３を循環した後のエア３６２を外部に排出す
るための，配管４７２を設ける。

【００３６】上記荷重印加手段４０は，上記ピエゾスタ
ック２０に軸方向圧縮荷重を印加して変位を発生させる
ことが可能なプレス装置よりなる。上記油圧ユニット４
９が上記荷重印加手段４０の駆動源である。上記荷重検
出手段２２は，上記ピエゾスタック２０に印加する軸方
向圧縮荷重を検出して検出量に応じた信号を送出するロ
ードセルよりなる。上記変位検出手段３０は，上記ピエ
ゾスタック２０の変位量を検出し，検出量に応じた信号
を送出する渦電流式のギャップセンサよりなる。

【００３７】図４に示すごとく，上記プレス装置４０
は，フレーム２９の上部２９２に固定した荷重検出手段
２２と当接し，断熱ケース２５の上部２５１を貫通設置
するピストンアッパ４３と，フレーム２９の内側下部２
９１に取り付けた外装筒４２０に同軸的に挿通し，上記
ピストンアッパ４３に対して進退可能に構成した油圧ピ
ストン４１と，該油圧ピストン４１に同軸的に挿通した
変位端子４２とよりなる。なお，変位端子４２の下端に
は変位検出手段３０と変位端子４２とが安定して当接可
能となるように当接板４２１を配置する。

【００３８】上記油圧ピストン４１は，断熱ケース４０
０の外部に設置した電気式油圧調整４９０を備えた油圧
ユニット４９にて駆動する。この油圧ユニット４９から
動力を伝達する油圧配管４９１は，断熱ケース４００，
３５，フレーム２９を経由して外装筒４２０に接続す
る。油圧ピストン４１を駆動し，ピストンアッパ４３に
接近させることで，ピエゾスタック２０に対し軸方向の
圧縮荷重を印加する。

【００３９】上記ピストンアッパ４３のピエゾスタック
２０と対面する側と反対側である，フレーム２９の上部
２９２に荷重検出手段２２を設置する。また，上記プレ
ス装置４０の油圧シャフト４２のピエゾスタック２０と
対面する側と反対側で，上記フレーム２９の外側下部２
９３に変位検出手段３０を設置する。変位検出手段３０
は，荷重印加手段４０によってピエゾスタック２０に荷
重を加えて生じた変位量や，後述する電圧印加手段５１
を用い，端子２０１，２０２を介して電圧をピエゾスタ
ック２０に加えることで（図２参照），該ピエゾスタッ
ク２０を伸縮させた際の変位量を測定する。

【００４０】また，上記変位検出手段３０は調節ナット
により上下調節可能なネジ付きロッド３１に固定され，
図示を略したばねにより上方，つまりピエゾスタック２
０の側に付勢可能な構成を有する。従って，評価すべき
ピエゾスタック２０の軸方向長さの変化に応じて変位検
出手段３０の初期位置を調節し，変位端子４２に設置し
た当接板４２１と変位検出手段３０との間の初期ギャッ
プを測定許容範囲内に設定することができる。

【００４１】上記ピエゾスタック２０はピストンアッパ
４３と油圧ピストン４１との間に吸熱板４５１，４５２
を介して挟持する。吸熱板４５１及び４５２にはピエゾ
スタック２０のスタックガイド２１１，２１２を設置し
て，油圧ピストン４１，変位端子４２，吸熱板４５１，
４５２，ピストンアッパ４３，ピエゾスタック２０，荷
重検出手段２２，変位検出手段３０のすべてが同軸上に
並ぶようにする。なお，吸熱板４５１，４５２の最大径
は油圧ピストン４１やピストンアッパ４３よりも大きく
構成するが，広い面積とすることでよりたくさんの熱を
吸収することができる。

【００４２】図３に示すごとく，上記計測制御部５は電
圧印加手段５１，制御手段５２，評価手段５４，表示手
段５６よりなる。上記表示手段５６は変位表示部５６１
と荷重表示部５６２を備える。上記評価手段５４は荷重
と変位量からピエゾスタック２０のヤング率を計算する
構成を有する。上記荷重検出手段２２から信号線２２１
を介して荷重表示部５６２，評価手段５４，荷重比較回
路５２１へピエゾスタック２０の荷重を示す信号が送出
される。また，上記変位検出手段３０から信号線３０１
を介して変位表示部５６１，評価手段５４へピエゾスタ
ック２０の変位を示す信号が送出される。なお，信号線
２２１，３０１を引き出すための引き出し口４０８が断
熱ケース４００に設けてある。

【００４３】上記制御手段５２は荷重比較回路５２１と
荷重制御回路５２２とを備える。また，上記電圧印加手
段５１はピエゾスタック２０に対し電圧を印加可能に構
成する。電圧印加手段５１は信号線２０３，２０４とこ
れに接続した端子２０１，２０２を介してピエゾスタッ
ク２０に電圧を印加する。なお，信号線２０３，２０４
を引き出すための引き出し口４０９が断熱ケース４００
に設けてある。荷重制御回路５２２は油圧ユニット４９
の駆動を制御するため，信号線４９１を介して電気式油
圧調整４９０の動きを制御する。

【００４４】上記荷重検出手段２２，上記変位検出手段
３０から信号線２２１，３０１を介して荷重を示す信号
が荷重表示部５６２に，変位を示す信号が変位表示部５
６１に送出され，ここで荷重と変位を表示する。また，
途中で信号線２２１，３０１は分岐して荷重と変位の信
号は評価手段５４にも送出され，ここでヤング率を計算
する。

【００４５】また，更に信号線２２１は分岐して，荷重
の信号は荷重比較回路５２１に送出される。ここで荷重
の信号を比較検討し，荷重制御回路へ電気式油圧調整弁
４９０の駆動制御信号を送出する。つまり荷重に応じて
油圧ユニット４９を制御して，ピエゾスタック２０へ加
える荷重を制御する。

【００４６】なお，上記計測制御部５は，具体的にはキ
ーボードからプログラムを入力可能なパーソナルコンピ
ューターからなる。上記計測制御部５はプログラムに応
じてピエゾスタック評価装置１の各部を制御し，演算を
行って，表示手段５６に荷重や変位を表示すると同時に
データを記憶する。また，計測制御部５は変位検出手段
３０，荷重検出手段２２からの出力を増幅する増幅器を
有することもある。

【００４７】また，計測制御部５は図示を略したシーケ
ンサーを有し，該シーケンサーが油圧ユニット４９，熱
風発生装置４７の作動を制御したり，ピエゾスタック評
価装置１の異常を検出して動作を制御するなどの，計測
系以外の操作系について処理を行う。

【００４８】また，図５に恒温槽４０１内の断熱ケース
３５の状態を示す。図５に示すごとく，上記断熱ケース
３５は恒温槽４０１に開口した窓部３５０を備える。

【００４９】次に，スタック収納室２や計測手段収納室
３の温度制御について説明する。本例のスタック評価装
置１において，断熱ケース３５から断熱ケース２５の外
側までの空間が計測手段収納室３であり，ここを変位検
出手段３０，荷重検出手段２２の耐熱温度以下に制御す
る。また，スタック収納室２は所定の温度におけるピエ
ゾスタック２０の特性を評価するために，ピエゾスタッ
ク２０を評価したい温度に逐次制御する。

【００５０】スタック収納室２，計測手段収納室３にか
かる温度制御は，変位検出手段３０の測定精度を高める
ために，所定の精度で行う必要がある。本例にかかるピ
エゾスタック評価装置１では，スタック収納室２とピエ
ゾスタック２０の温度を−４０℃〜２００℃の範囲で変
化させ，断熱ケース２５内のスタック収納室２でピエゾ
スタック２０に荷重を加える。この条件でピエゾスタッ
ク２０の変位について測定精度を高めるためには，以下
に記載する２箇所の温度制御が重要である。

【００５１】ひとつは変位検出手段３０で，変位検出手
段３０の出力誤差を０．５μｍ（１５０μｍ変位時）に
抑えるためには，スタック収納室２とピエゾスタック２
０の温度を−４０℃〜２００℃の範囲で変化させた場合
であっても，変位検出手段３０の温度変化が１０℃以内
である必要がある。

【００５２】もうひとつはフレーム２９の左右温度維持
である。つまりフレーム２９の左右の熱膨張差による歪
を油圧ピストン４１の傾きで吸収できる温度差は８℃以
下である。従って，フレーム２９の左右の温度差を８℃
以内とする必要がある。仮にフレーム２９が歪んだ場
合，荷重印加手段４０，変位検出手段３０，荷重検出手
段２２，ピエゾスタック２０等の間の位置関係が変動
し，ピエゾスタック２０の軸上に正しく荷重を加えるこ
とが難しくなる。よって，ピエゾスタック２０の片当た
り等による見かけ上のヤング率低下などが生じ，正確な
評価ができなくなるおそれがある。

【００５３】上記２箇所の温度制御を実現するため，加
圧ユニット部４に対し，断熱ケース３５の壁面に設ける
断熱層の厚み，もう１つは恒温槽４０１に対する空気導
入量を所定の値に設定する。

【００５４】また，図５に示すごとく，上記断熱ケース
３５は恒温槽４０１に開口した窓部３５０を備える。上
記窓部３５０は，断熱ケース２５に対するエアの出入口
である。恒温槽４０１が形成する−４０℃〜２００℃の
恒温エアは断熱ケース２５の中を自由に移動できる。断
熱ケース２５のスタック収納室２に収納したピエゾスタ
ック２０，吸熱板４５１，４５２を加熱または冷却でき
る。つまり，本例ではピエゾスタック２０を所定の温度
となす加熱冷却手段として恒温槽４０１内の恒温エアを
利用する。

【００５５】次に，温度保持の一例について説明する。
恒温槽４０１を１６５℃に保持する。スタック収納室２
も上述したように同じ温度１６５℃になる。断熱ケース
３５の計測手段収納室３に温度４０℃の空気が導入され
た場合，断熱ケース２５，３５を通じて漏れる熱により
恒温槽４０１内に導入された空気は加熱され，導出時に
は温度４０℃＋αとなる。この導入と導出の温度差を前
述した１０℃以内に保持するためには，下記に示すよう
に空気の導入量や断熱ケースの厚みで制御することが可
能である。

【００５６】ΔＴ＝α℃で吸熱できる熱量から空気導入
量について考察する。 断熱箱に入ってくる熱量Ｑ＝ｋ（熱通過率）×温度差×
面積 吸熱可能な空気流量＝Ｑ／（比熱×ΔＴ×比重） このように導入する空気の流量を増やすと断熱ケース３
５の壁面に設ける断熱層が薄くてもよく，流量と断熱層
の厚みは相反する関係になる。

【００５７】ただし，断熱ケース３５として断熱層の厚
いものを用いた場合，厚みが増大した分，恒温槽４０１
の内部を狭くするため，ピエゾスタック２０の取り付
け，取り外し等，各種の作業性が悪くなる。

【００５８】また，スタック収納室２とピエゾスタック
２０を温度２００℃で評価する場合，ピエゾスタック２
０の端部温度低下防止と荷重検出手段２２の温度上昇を
抑える方法について述べる。

【００５９】つまり，ピエゾスタック２０から，吸熱板
４５１，４５２，油圧ピストン４１，ピストンアッパ４
３などを経由する熱引けを抑えることにより，ピエゾス
タック２０の温度低下を防止する必要がある。また，ピ
ストンアッパ４３を通過した熱が荷重検出手段２２を耐
熱温度以上に加熱しないようにする必要がある。

【００６０】ピストンアッパ４３からの熱移動量は（熱
移動量＝断面積×熱伝導率×温度差÷長さ）で計算でき
る。また，吸熱板４５１，４５２での吸熱量は（吸熱量
＝吸熱板の表面積×ヌッセルト数×温度差×熱伝導率×
恒温槽の熱風の速度÷熱風の動粘性係数）から計算でき
る。従って吸熱板４５１，４５２の表面積などを設計す
ることによりピエゾスタック２０端部での温度低下を防
止できる

【００６１】また，荷重検出手段２２を保護するために
ピストンアッパ４３の材質をジルコニアセラミックで構
成することが好ましい。ジルコニアセラミックの熱伝導
率は金属の１／１０であり，より確実に熱引けを防止す
ることができる。

【００６２】なお，本例にかかるピエゾスタック評価装
置１で，ピエゾスタック２０近傍の温度分布を測定した
結果を表１に記載した。測定箇所はＭ〜Ｐの符号で図４
に記載した。同表よりピエゾスタック２０はスタック収
納室２と略同じ温度で，吸熱板４５１，４５２などを利
用することで，外部との熱の出入りをある程度防止でき
ることが分かった。

【００６３】

【表１】

【００６４】次に，本例にかかるピエゾスタック評価装
置１の作動について説明する。本例のピエゾスタック評
価装置１はピエゾスタック２０に電圧を印加した際のヤ
ング率及び電圧印加時の伸縮量を評価する装置である。

【００６５】測定すべきピエゾスタック２０を吸熱板４
５１，４５２の間にセットしプリセット荷重をかける。
次に，上記ピエゾスタック２０に対し所定の電圧を印加
する。また，恒温槽４０１内を所定の温度にセットす
る。

【００６６】ピエゾスタック評価装置１の各部が熱平衡
状態に達した後，変位検出手段３０の初期セットを行
う。なお，変位検出手段３０は測定精度を確保できるギ
ャップ範囲があるため，熱平衡状態に達した状態でギャ
ップをセットする必要がある。このとき恒温槽４０１を
開くことはできないため，予め恒温槽４０１内に設置し
たリモート制御用駆動モータ（図示略）を外部から操作
することでギャップをセットする。

【００６７】次いで，油圧ピストン４１を上昇させ，ピ
エゾスタック２０に軸方向荷重を印加する。荷重印加に
伴いピエゾスタック２０は圧縮され，荷重検出手段２２
によってこの時に印加された荷重と変位検出手段３０に
よってピエゾスタック２０の変位量を測定する。

【００６８】ただし，図６に示すごとく，この時測定し
た変位量はピエゾスタック２０の変位量の他，荷重検出
手段２２，軸方向にピエゾスタック２０に直列に接続さ
れた吸熱板４５１，４５２やピストンアッパ４３等の他
の部材の変位量が重ねあわされた値となっている。

【００６９】そのため，本例のピエゾスタック評価装置
１において，ピエゾスタック２０の変わりに剛体のステ
ンレス棒を比較材料としてセットして，本例の測定と同
様の条件（各温度条件等）でステンレス棒に軸方向荷重
を印加する。ステンレス棒は殆ど変位しないため，ステ
ンレス棒を用いた測定から他の部材の変位量が分かる。
なお，ステンレス棒ではなくて予めヤング率の判明した
材料を用いることもできる。

【００７０】このように，実際の測定では変位検出手段
３０が示す値から，上述したように他の部材の変位量を
差し引く。この演算は計測制御部５で行う。以上の測定
によって得た軸方向荷重とその時の変位量から，各温度
でのヤング率を計測制御部５で求めることができる。つ
まり，ピエゾスタック評価装置１に剛体の比較材料（こ
こではステンレス棒）をピエゾスタック２０と置き換え
て設置し，該比較材料に対しピエゾスタック２０を評価
する際と同様に荷重を印加して，上記ピエゾスタック評
価装置１の補正値を求めることができる。

【００７１】また，本例のピエゾスタック評価装置１を
用いて，ピエゾスタック２０の所定の温度で所定の電圧
を印加した際の変位量を測定する方法について説明す
る。評価すべきピエゾスタック２０を吸熱板４５１，４
５２にセットし，プリセット荷重をかけた後，変位検出
手段３０を所定の間隔にセットする。

【００７２】次に，各部の温度が所定の値になるように
恒温槽４０１の温度をセットする。十分な時間が経過
し，各部の温度が熱平衡状態に達した後に，ピエゾスタ
ック２０に電圧を印加する。この電圧印加によってピエ
ゾスタック２０は変位するため，変位検出手段３０を用
いてその変位量を測定した。なお，この測定において
は，温度変化，荷重変化がない（プリセット以上の荷重
をかけていない）ためヤング率を測定する際に利用した
補正は必要ない。

【００７３】以上，本例によれば，ピエゾスタック評価
装置を用いることで，スタック収納室と計測手段収納室
とを熱的に分離することができる。従って，評価手段の
耐熱温度にかかわらず任意の温度範囲においてピエゾス
タックを評価することができる。

【００７４】（実施例２）本例にかかるピエゾスタック
評価装置１は図７に示すごとく，スタックの加熱冷却手
段は第２の熱媒よりなり，上記第２の熱媒は，上記スタ
ック収納室２に対して外部に設置された外部恒温槽６か
ら上記スタック収納室２に対して導入する。本例の加圧
ユニット４は，断熱ケース３５が剥き出しで，該断熱ケ
ース３５内にフレーム２９，断熱ケース２５がある。そ
して，フレーム２９，断熱ケース３５を貫通し，外部恒
温槽６とスタック収納室２との間を連結する配管６１，
６２を有する。配管６１，６２は断熱材６１０，６２０
で覆われている。

【００７５】そして，外部恒温槽６０内で所定の温度に
保持された空気を第２の熱媒６３１として，配管６１を
介してスタック収納室２に導入し，該スタック収納室２
を循環させつつ，再び配管６２を介して外部恒温槽６０
に戻してやる。これにより外部恒温槽６０と同じ温度に
スタック収納室２の温度を維持することができる。その
他詳細は実施例１と同じ構成であり，実施例１と同様の
作用効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における，ピエゾスタック評価装置の
概略説明図。

【図２】実施例１における，ピエゾスタックの加圧ユニ
ット部の説明図。

【図３】実施例１における，ピエゾスタックの計測制御
部の説明図。

【図４】実施例１における，スタック収納室の要部説明
図。

【図５】実施例１における，恒温槽の一部切り欠き斜視
図。

【図６】実施例１における，ピエゾスタックの真の変位
量と変位検出手段の検出値との関係を示す線図。

【図７】実施例２における，外部恒温槽と加圧ユニット
との説明図。

【符号の説明】

１．．．ピエゾスタック評価装置， ２．．．スタック収納室， ２２．．．荷重検出手段， ３．．．計測手段収納室， ３０．．．変位検出手段， ４．．．加圧ユニット部， ５．．．計測制御部，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹守 義輝 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 林 義幸 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 岡田 明 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 藤井 章 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 2G061 AA02 AB01 AC03 AC04 BA20 CA05 CB02 DA01 DA03 EA01 EA02 EC02

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピエゾスタックを所定の温度となす加熱
   冷却手段と，上記加熱冷却手段を用いて所定の温度まで
   加熱または冷却した上記ピエゾスタックを収納するスタ
   ック収納室と，上記ピエゾスタックに所定の荷重と電圧
   とを印加する荷重印加手段及び電圧印加手段と，上記ピ
   エゾスタックの変位量を測る変位検出手段と，上記変位
   量を得るに要した荷重を測る荷重検出手段と，上記変位
   検出手段及び上記荷重検出手段とを収納し，かつ両者を
   耐熱温度以下に保持する計測手段収納室とを備え，上記
   スタック収納室と上記計測手段収納室とを熱的に分離し
   て構成し，所定の温度において上記ピエゾスタックの変
   位量と該変位量を得るに要した荷重から上記ピエゾスタ
   ックを評価することを特徴とするピエゾスタック評価装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１において，上記計測手段収納室
   に第１の熱媒を導入することで，上記変位検出手段及び
   上記荷重検出手段の耐熱温度以下に保持することを特徴
   とするピエゾスタック評価装置。
3. 【請求項３】 請求項２において，上記スタック収納室
   を断熱ケースから構成し，上記スタック収納室は上記計
   測手段収納室内に設置し，上記断熱ケースにより上記ス
   タック収納室を，上記第１の熱媒より熱的に分離するこ
   とを特徴とするピエゾスタック評価装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項において，
   上記ピエゾスタックを所定の温度となす加熱冷却手段は
   第２の熱媒よりなり，上記第２の熱媒は，上記スタック
   収納室に対して外部に設置された外部恒温槽から上記ス
   タック収納室に対して導入することを特徴とするピエゾ
   スタック評価装置。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか一項において，
   上記スタック収納室と上記計測手段収納室とは共に同一
   の恒温槽の内部に配置することを特徴とするピエゾスタ
   ック評価装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか一項において，
   上記ピエゾスタックと上記変位検出手段とは同軸上に位
   置することを特徴とするピエゾスタック評価装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか一項において，
   上記変位検出手段は外部からの信号により作動可能であ
   ることを特徴とするピエゾスタック評価装置
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか一項において，
   上記ピエゾスタックを上記スタック収納室に収納する際
   に，上記ピエゾスタックの両端に吸熱板を設けることを
   特徴とするピエゾスタック評価装置。
9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか一項にかかるピ
   エゾスタック評価装置を用い，所定の温度において上記
   ピエゾスタックの変位量と該変位量を得るに要した荷重
   から上記ピエゾスタックを評価するに先立って，上記ピ
   エゾスタック評価装置にヤング率が既知の比較材料をピ
   エゾスタックと置き換えて設置し，該比較材料に対しピ
   エゾスタックを評価する際と同様に荷重を印加して，該
   荷重における上記比較材料の変位量を求め，上記比較材
   料の変位量と上記比較材料のヤング率とから，上記ピエ
   ゾスタック評価装置の補正値を求めることを特徴とする
   ピエゾスタック評価方法。